喬桂英，唐 雷，張文雷，趙作鵬，廖 波

（1.燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北秦皇島066004；2.燕山大學(xué)河北省應(yīng)用化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004；3.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004；4.燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島066004）

鐵素體/貝氏體雙相X80管線鋼疲勞性能研究

喬桂英1，2，*，唐 雷1，2，張文雷1，2，趙作鵬3，4，廖 波3，4

（1.燕山大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，河北秦皇島066004；2.燕山大學(xué)河北省應(yīng)用化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004；3.燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島066004；4.燕山大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北秦皇島066004）

采用MTS Landmark 370型萬能機(jī)研究了全壁厚鐵素體/貝氏體雙相X80管線鋼的疲勞性能，并通過SEM方法對鋼的組織及斷口進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，鐵素體/貝氏體雙相鋼中的鐵素體有大角度晶界，而貝氏體由小角度晶界的貝氏體鐵素體及細(xì)小的馬氏體/奧氏體（M/A）島構(gòu)成。疲勞裂紋主要在鋼板表面凹坑處萌生；疲勞強(qiáng)度S與壽命N的關(guān)系為S=2 973×N-0.14；在裂紋擴(kuò)展過程中，鐵素體晶界、貝氏體及貝氏體組織中的M/A島對疲勞裂紋擴(kuò)展有抑制作用。

X80管線鋼；鐵素體/貝氏體；疲勞；斷口

0　引言

管道輸送是油氣資源遠(yuǎn)距離輸送安全、經(jīng)濟(jì)的方式，其發(fā)展需求已經(jīng)成為反映世界各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r的晴雨表［1-2］。管線鋼管在服役過程中往往會受到多種交變應(yīng)力的共同作用產(chǎn)生疲勞斷裂破壞，使鋼管疲勞性能成為管線設(shè)計(jì)的參數(shù)之一［3］。這些交變應(yīng)力主要來自兩方面：一方面來自管內(nèi)氣體介質(zhì)的分層結(jié)構(gòu)和輸送壓力的波動；另一方面是管線外部的變動載荷，比如沙漠管線流沙的遷移、埋地管線上車輛引起的振動、穿越管段的卡曼振動、沼澤地管線浮力的波動、海洋管道承受海浪沖擊載荷等［4］。由于疲勞斷裂在斷裂之前基本上沒有明顯的征兆，所以其危害性是相當(dāng)大的。X80大應(yīng)變管線鋼是近來為適應(yīng)地震帶及海洋新開發(fā)而發(fā)展起來的新管線鋼。目前其研究主要在組織結(jié)構(gòu)對塑性的影響，以及塑性在成型過程中的變化［5］，而關(guān)于疲勞性能的研究報(bào)道極少。因此研究X80大應(yīng)變管線鋼有著十分重要的工程意義。本文研究了X80大變形管線鋼疲勞性能，該結(jié)果不僅為大應(yīng)變管的安全設(shè)計(jì)提供依據(jù)，也可以作為管道壽命評估提供試驗(yàn)參數(shù)。

1　試驗(yàn)材料及方法

本試驗(yàn)所使用的材料在壁厚26.4 mm商用X80鐵素體/貝氏體大應(yīng)變管線鋼上截取，其化學(xué)成分如表1所示；鋼板表面的金相組織如圖1所示，鋼板全截面組織中鐵素體、貝氏體的比例約為50%～60%；鋼板的橫向拉伸性能為：屈服強(qiáng)度636 MPa、抗拉強(qiáng)度723 MPa、延伸率為16.2%。

圖1　X80鋼的組織形貌Fig.1 SEM micrographs of X80 pipeline steel

表1　試驗(yàn)材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of the tested steel %

本試驗(yàn)是在MTS Landmark 370型液壓伺服動靜疲勞試驗(yàn)機(jī)上完成。其試樣尺寸如圖2所示。為模擬實(shí)際管線，試樣的厚度采用全板厚，且不去除鋼板的軋制表面。疲勞試驗(yàn)采用單側(cè)縱向拉拉的正弦曲線方式加載，循環(huán)應(yīng)力比（最小應(yīng)力/最大應(yīng)力）為R=0.1；試驗(yàn)加載頻率是5 Hz；最大應(yīng)力范圍為350～620 MPa；試驗(yàn)溫度為23～26℃，干燥空氣，無潮濕腐蝕性氣氛。疲勞斷口分析在KYKY-2800掃描電子顯微鏡上完成。

圖2　疲勞試樣的尺寸Fig.2 The size of fatigue specimen

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3給出了疲勞壽命的試驗(yàn)結(jié)果。由圖3可見，在無缺口試樣條件下，該鋼具有良好的疲勞性能。在最大應(yīng)力（σmax=600 MPa）接近屈服強(qiáng)度的條件下，其疲勞壽命N仍能達(dá)到大約8.5×104周次。隨最大應(yīng)力的降低，疲勞循環(huán)周次增加，但增加幅度并不大；最大應(yīng)力由600 MPa降低到400 MPa時(shí)，疲勞循環(huán)周次由8.5×104周次增加到5.7×105周次；但當(dāng)最大應(yīng)力繼續(xù)降低到375 MPa時(shí)，其疲勞循環(huán)周次則顯著增加到2×106周次。疲勞壽命按1×106設(shè)計(jì)時(shí)，其疲勞強(qiáng)度約370～400 MPa之間。

根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，回歸處理確定疲勞壽命S-N曲線為S=2 973×N-0.14。計(jì)算當(dāng)循環(huán)次數(shù)為1×106周次的最大應(yīng)力為402 MPa左右，該值大于試驗(yàn)值。因此應(yīng)采用分段處理的方式，確定其疲勞強(qiáng)度應(yīng)為380 MPa左右。

圖4給出了最大應(yīng)力為600 MPa時(shí)的疲勞斷口形貌。疲勞裂紋萌生均出現(xiàn)在鋼板的表面邊角處這是因?yàn)殇摪灞砻鏇]有加工，表面保持軋制表面特征，表面粗糙度對疲勞裂紋形成有一定的影響。但從實(shí)際疲勞壽命看（圖3），不同應(yīng)力條件下，各應(yīng)力水平試樣的結(jié)果分散度并不大，說明軋制表面對疲勞壽命的影響不大。對疲勞裂紋萌生位置觀察發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋在表面的凹坑等粗糙度較大的區(qū)域形成，并向內(nèi)快速擴(kuò)展，當(dāng)裂紋深度到達(dá)400～600 μm時(shí)，疲勞裂紋進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)（圖4（a））。

圖3　X80管線鋼的S-N曲線Fig.3 The S-N curve of the X80 pipeline steel

在遠(yuǎn)離裂紋源的裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)，疲勞裂紋呈韌性斷裂特征，在一些小的晶粒上可見有疲勞輝紋存在，但相近區(qū)域，部分晶粒則沒有輝紋；另外在斷口表面存在大量二次裂紋，二次裂紋沿疲勞裂紋擴(kuò)展垂直方向橫向分布（圖4（b））。另外，在較大的二次裂紋之間，也還存在一些細(xì)小的二次裂紋（圖4（c））。大量二次裂紋分散主裂紋尖端應(yīng)力集中，降低疲勞裂紋擴(kuò)散速率，抑制疲勞裂紋擴(kuò)展。這與鋼的鐵素體/貝氏體雙相組織在疲勞裂紋擴(kuò)展中對裂紋擴(kuò)展的抑制作用不同有關(guān)。

為更清晰分析鐵素體/貝氏體雙相組織對疲勞性能的影響，圖5（a）～（b）分別給出了鋼板組織EBSD分析及斷口截面二次裂紋分析結(jié)果。由圖5（a）可見，由于控制軋制和控制冷卻的作用，鐵素體/貝氏體沿軋制方向呈拉長帶狀分布。鐵素體主要以大角度晶界為主，鐵素體晶粒尺寸4～16 μm，平均晶粒尺寸10 μm以下。這種細(xì)小的鐵素體組織保證鋼具有良好的韌性。而貝氏體組織則主要由小角度晶界的晶粒構(gòu)成；但在貝氏體內(nèi)也存在更加細(xì)小的大角度晶界構(gòu)成的晶粒，結(jié)合組織分析，該細(xì)小晶粒主要為M/A島狀組織構(gòu)成。

圖4　裂紋萌生區(qū)及擴(kuò)展區(qū)斷口微觀形貌Fig.4 SEM fracture micrographs of fatigue crack initiation and propagation zones

圖5　X80鋼EBSD組織形貌及裂紋擴(kuò)展形貌Fig.5 EBSD microstructure and crack propagation of the X80 pipeline steel

由圖5（b）可見，較大二次裂紋的形成主要沿鐵素體、貝氏體晶粒的邊界形成并擴(kuò)展，自裂紋擴(kuò)展中，貝氏體及鐵素體的晶界對裂紋的擴(kuò)展也具有一定的抑制作用。這與文獻(xiàn)［6］雙相鋼及復(fù)相鋼組織對裂紋擴(kuò)展影響的結(jié)果相一致。

在雙相鋼組織中，由于鐵素體相強(qiáng)度低、塑性好，而貝氏體強(qiáng)度高、塑性低，在疲勞載荷的作用下，變形優(yōu)先在鐵素體進(jìn)行，由于貝氏體相的存在，鐵素體的均勻塑性變形受到限制［7］。隨著循環(huán)變形次數(shù)的增加，鐵素體發(fā)生相硬化，當(dāng)鐵素體達(dá)到飽和的硬化階段后，便以滑移帶的形式發(fā)展非均勻塑性變形，并在馬氏體-鐵素體界面上產(chǎn)生塑性變形累積，隨著循環(huán)次數(shù)增加，最終導(dǎo)致疲勞裂紋在兩相界面上萌生［6-7］。但本試驗(yàn)采用全壁厚鋼板且鋼板軋制表面未加工，軋制表面具有一定的粗糙度。表面凹坑的應(yīng)力集中促使疲勞裂紋萌生（圖4（a）），因此在不同的應(yīng)力水平條件下，疲勞裂紋均出現(xiàn)在鋼板軋制表面?zhèn)取?/p>

在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中，鐵素體塑性高，易于引起裂紋的鈍化，在其表面易出現(xiàn)疲勞輝紋，且裂紋沿應(yīng)力最大方向擴(kuò)展，而且鐵素體晶粒間高的取向差（圖5（a）），對裂紋擴(kuò)展有一定的抑制作用［8］。另外，鐵素體強(qiáng)度低，其裂紋尖端塑性區(qū)較大，可能超過幾個(gè)鐵素體晶粒。裂紋尖端塑性區(qū)與裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子呈正比，而與屈服強(qiáng)度呈反比［9］。因此，在高的應(yīng)力或長的裂紋條件下，裂紋擴(kuò)展過程中，由于貝氏體的約束作用，在鐵素體、貝氏體界面處變形集中，先于主裂紋形成微裂紋，或者在貝氏體內(nèi)的貝氏體鐵素體與M/A島間形成微裂紋。當(dāng)主裂紋在鐵素體區(qū)擴(kuò)展到一定距離時(shí)，主裂紋與微裂紋連接，在帶狀鐵素體、貝氏體間出現(xiàn)較大的二次裂紋（圖4（b）、圖5（b）），二次裂紋形成降低了主裂紋的能量，從而降低裂紋的擴(kuò)展速率。

3　結(jié)論

全壁厚鐵素體/貝氏體雙相X80管線鋼在疲勞過程中，在表面凹坑出現(xiàn)應(yīng)力集中，強(qiáng)度較低的鐵素體優(yōu)先變形，而強(qiáng)度較高的貝氏體抑制變形，位錯在鐵素體、貝氏體界面塞集，萌生裂紋，細(xì)小裂紋相互連接，導(dǎo)致疲勞裂紋形成。在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中，鐵素體間的大角度晶界，強(qiáng)度高的貝氏體以及貝氏體中細(xì)小M/A島對裂紋擴(kuò)展具有一定的抑制作用。而且鐵素體、貝氏體界面的二次裂紋及貝氏體中貝氏體鐵素體與M/A島界面間的二次裂紋對疲勞裂紋也有一定的抑制作用。在應(yīng)力比為0.1的條件下，全壁厚鐵素體/貝氏體雙相X80管線鋼的S-N方程為S=2 973×N-0.14。

［1］李鶴林.天然氣輸送鋼管研究與應(yīng)用中的幾個(gè)熱點(diǎn)問題［J］.中國機(jī)械工程，2001，13（12）：349-352.

［2］李鶴林，李霄，吉玲康，等.油氣管道基于應(yīng)變的設(shè)計(jì)及抗大變形管線鋼的開發(fā)與應(yīng)用［J］.焊管，2007，30（5）：5-11.

［3］武威，李洋，吉玲康，等.管線鋼疲勞行為研究進(jìn)展［J］.焊管，2009，32（8）：31-24.

［4］Pinheiro B，Pasqualino I，Cunha S.Fatigue life assessment of damaged pipelines under cyclic internal pressure：Pipelines with longitudinal and transverse plain dents［J］.International Journal of Fatigue，2014，68：38-47.

［5］高惠臨，張驍勇.大變形管線鋼的研究和開發(fā)［J］.焊管，2014，37（4）：11-21.

［6］Laurito D F，Baptista C A R P，Torres M A S，et al.Microstructural effects on fatigue crack growth behavior of a microalloyed steel［J］. Procedia Engineering，2010，2（1）：1915-1925.

［7］Kumar A，Singh S B，Ray K K.Fatigue crack growth behaviour of ferrite-bainite dual phase steels［J］.Materials Science and Technology，2013，29（12）：1507-1512.

［8］Zhong Yong，Xiao Furen，Zhang Jingwu，et al.In situ TEM study of the effect of M-A films at grain boundaries on crack propagation in an ultra-fine acicular ferrite pipeline steel［J］.Acta Materialia，2006，54（2）：435-443

［9］Cheng Xu，Petrov Roumen，Zhao Lie，et al.Fatigue crack growth in TRIP steel under positive R-ratios［J］.Engineering Fracture Mechanics，2008，75（3）：739-749.

Study on fatigue property of ferrite/bainite duple phases X80 pipeline steel

QIAO Gui-ying1，2，TANG Lei1，2，ZHANG Wen-lei1，2，ZHAO Zuo-peng3，4，LIAO Bo3，4
（1.School of Environmental and Chemical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China；2.Hebei Key Laboratory of Applied Chemistry，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China；3.State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China；4.School of Materials Science and Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei 066004，China）

The fatigue property of a ferrite/bainite duple phases X80 pipeline steel was examined on a MTS Landmark 370 universal testing machines，and the microstructure and fractures were observed by means of SEM.The results show that the ferrite grains in ferrite/bainite microstructure consist of large angle grain boundaries，while the bainite consists of bainite ferrites with low angle grain boundaries and martensite/austenite（M/A）islands.The fatigue crack is mainly generated at the surface scallops of the rolled steel plate.The relation of the fatigue strength（S）to the fatigue life（N）is S=2 973×N-0.14.The ferrite grain boundaries，bainite and M/A islands could inhibit crack propagation.

X80 pipeline steel；ferrite/bainite；fatigue；fracture

TG445

A DOI：10.3969/j.issn.1007-791X.2015.06.005

1007-791X（2015）06-0502-04

2015-09-27 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51171162）；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（E2015203234）

*喬桂英（1966-），女，吉林磐石人，博士，教授，主要研究方向?yàn)閴毫θ萜饔娩摷捌浜附?，Email：qiaoguiying@ysu.edu.cn。